直流伺服电机的设计研究【摘要】本文主要探讨的是直流伺服电机的设计原理及特点，并对伺服电动机的工艺进行了分析和设计。
在本文中结合相关资料对伺服电机及伺服系统的发展做了一些阐述，并列举了当前国内外一些公司先进伺服伺服系统的成型技术及产品不对这些比较先进产品的性能做了一些描述。
按照直流伺服电机的的一些设计特点具体针对SZ —36 型直流伺服电动机进行了电磁部分的计算和工艺部分的分析及设计。
关键词：直流伺服电动机电磁计算工艺规程【Abstract】The article mainly researches into the principle of design and nature of the motor, also do some analysis and design of its technology. In this article which connects with related material, the development of the motor and servo system are defined, technology and product from some advanced foreign companies and domestic companies are listed and the capability of these more advanced products are also described. According to some character of the design on motor, the article does analysis and design of technology and electromagnetism counting, All these aim at sz-36 type of motor.Keywords:Direct current servomotor Electromagnetism counting The regulation of technology第1章绪言1.1伺服电动机基本原理、分类分类伺服电动机按其使用的电源性质不同一，可分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类，其中直流伺服电机分为传统型和低惯量型两种类型。
传统型直流伺服电动机就是微型的他励直流电动机，也是用定转子两部分组成，按定子的种类可以分为两种：永磁式和电磁式。
低惯量型直流伺服电动机的明显特点是转子轻，转动惯量小，快速响应好。
按照电枢形式的不同分为：盘形电枢直流伺服电动机、空心杯永磁式直流伺服电动机和无槽电枢直流伺服电动机基本原理直流伺服电动机是指使用直流电源的伺服电动机，实质上是一台他励式直电动机，又称为执行电动机，是将输入的信号（控制信号）转换为轴的角位移或角速度输出。
直流伺服电机按励磁方式不同可分为：电磁式和永磁式两大类，其基本结构与普通小型直流电动机基本相同。
直流伺服电动机的控制方式分为：电枢控制和磁极控制两种。
电枢控制时，控制信号施加于电枢绕组回路，励磁绕组接于恒定电压的直流电源上。
磁极控制时，控制信号施加于励磁绕组回路，而电枢绕组接于恒定电压的直流电源上.它们的接线图如图（1）。
下面分析电枢控制的直流伺服电动机的运行特性。
图1为接线原理图。
为了便于分析，假设：（1）电机磁路不饱和；（2）不计负载时电枢反应的去磁影响，同时采用标幺值。
因Uf =常值，故气隙磁通Φf∞If∞Uf,即Φf=C f U f（式中，C f为比例常数）当电枢绕组接到控制电压U时，即产生电枢电流Ic,I c 与Φf互相作用产生电磁转矩Mem为Mem =CMΦfIc=CMCfIcUf在电枢转矩Mem作用下，电机将立即驱动起来，若控制电压消失，则I c =0，Mem=0电机立即停转。
当改变控制电压极性时，则Ic方向改变，随之电磁转矩方向改变，电机反转。
当改变控制电压大小时，则直流伺服电动机相当于改变电枢电压的调速状态。
控制方法当电动机负载转矩TL 不变，励磁磁通Φ不变时，升高电枢电压Ua，电机的转速就升高，反之，降低电枢电压U，转速就下降。
在Ua=0时，电机则不转。
当电枢电压的极性改变时，电机就反转。
因此，可以把电枢电压作为控制信号，实现电动机的转速控制。
电枢电压Ua控制电动机转速变化的物理过程如下：开始时，电动机所加的电枢电压为Ua1，电动机的转速为n1,产生的反电动势为Ea1，电枢中的电流为Ia1，根据电压平衡方程式，则U a1= Ea1+ Ia1Ra=CeΦn1+ Ia1Ra这时，电动机产生的电磁转据T=CT ΦIa1。
由于电动机处于稳态，电磁转矩T和电动机轴上的总转矩Ts 相平衡，即T=Ts。
如果保持电动机的负载转矩TL不变也即阻转矩不变，而把电枢电压升高到Ua2，起初，由于电动机有惯性，转速不能马上跟上而仍为n1,因而反电动势仍为Ea1。
由于Ua1升高Ua2到而E不变，为了保持电压的平衡关系，Ia1应增加到Ia，因此电枢转矩也应由T增加到T‘，此时电动机的电磁转矩大于总电阻转矩Ts ，使电动机得到加速。
随着电动机的转速的上升，反电势Ea增加。
为了保持电压平衡关系，电枢电流和电磁转矩都要下降，直到电枢电流恢复到原来的数值，使电枢转矩和总阻转矩重新平衡时，才达到稳态。
但这是一个更高转速n2时的新的平衡状态。
这时电动机转速n随电枢电压Ua升高而升高的物理过程。
为清晰起见，把这个过程用下列符号表示：(由于n来不及变，Ea暂不变)U a IaT（由于Ts 不变）当T=Ts时达到稳n Ea T n2用相同的方法可以分析电枢电压Ua降低时，转速n的下降过程。
1.2直流伺服电动机的应用、意义直流电动机具有良好的起动性能和调速性能，因此，广泛地用于驱动轧钢机、金属切削机床、起重设备和电气机车中，它尤其适用于高精度、高性能地电力拖动系统。
近年来，世界各国的机械制造业都处在数量化、数控化、自动化和半自动化的潮流中。
微电子技术的应用，尤其是微型计算机的普及，给数控化生产才来了很大的发展空间。
作为高精度伺服元件的伺服电机被广泛地应用在数控机床、机器人、雷达跟踪、冶金机械、纺织机械等各个领域。
据统计，美国市场对直流电机的需求以每年21℅的速度递增，导致这一现象的根本原因是自动化设备的高速发展和电子计算机外围设备的不断扩大，其次是军事设备电子化的发展趋势和电子玩具的应用。
在我国，70年代才开始这方面的研究。
现已基本上形成了系列产品电机可同轴装配的高灵敏度直流发电机和脉冲编码器，广泛应用于各种自动化控制系统。
为我国数控机床及机床行业产品的更新、旧机床的改进提供了可靠的执行元件，它对提高加工质量和精度，大幅度降低废品率和成本起很大的作用。
我国现在有大量的机床需改进、更新，因此有很大的市场。
1.3国内外现状和发展趋势在现在伺服系统中无论是交流伺服还是直流伺服都获得了广泛的应用，在电力拖动系统中也大有传统的液压、直流、步进和AC变频被基于稀土永磁交流永磁伺服系统所取代的趋势。
采用了新技术和新材料而制造出来的新的型号也层出不穷，在交流伺服方面有：YASKAWA 交流伺服系统，该系统由安川电机株式会社（日本）YASKAWA Electric Corporation研制。
其主要技术特点有：高速、高精度的运转；安装简易；配线数减少为原来的1/2；参数设定内藏；扩展性、灵活性更充实；耐振性提高；平均无故障时间达400000小时以上；具有高速高精度的运转特性；采用速度observer控制；最高回转速度5000r/min；马达速度波动更小；定位时间缩短了1/3；安装十分简单；可自动判别伺服马达的容量及形式，并设定马达参数；配线数减少为原来的1/2从驱动器本身可直接设定参数转矩控制、速度控制、位置控制三机一体；主回路/控制回路的电源完全分离；Win软件再现监测方便检查；设置外加回生电阻的接线端子；马达规格多，对应CE、UL规格；提高了保护构造、耐震性；内置DC电抗器接线端子。
全数字交流伺服电机系统该系统由北京和利时电机技术有限公司Beijing HollySys Electric Tech. Co., Ltd.自主开发。
全数字交流伺服系统采用全新设计,通过改进电机结构和采用先进的材料,为更加快速、准确、稳定地控制机械设备创造了良好条件。
在全数字控制方式下,实现了伺服控制的软件化，通过采用智能控制算法使系统响应速度、稳定性、准确性和可操作性都达到了很高的水平.适用于高动态响应、精密定位、精密调速的场合。
电机采用正弦波磁路设计，运行平稳，低噪声。
采用高能密度设计和高性能永磁材料，体积小，转矩大，效率高。
采用高热容技术。
